ćw-1

KIiChŚ
PROCESY JEDNOSTKOWE
W TECHNOLOGIACH
ŚRODOWISKOWYCH
Ćwiczenie nr 1
ADSORPCJA
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie izoterm adsorpcji kwasu octowego na
węglu aktywnym.
Wprowadzenie
Adsorpcja jest procesem dyfuzyjnym, w którym można wyróżnić kilka
etapów:
transport sorbowanych cząstek w pobliże powierzchni czynnej adsorbentu
(przenoszenie masy odbywa się w wyniku dyfuzji i konwekcji),
dyfuzja w warstwie granicznej,
dyfuzja w kapilarach ziaren sorbentu.
Substancja
adsorbująca
nazywa
się
adsorbentem,
substancja
adsorbowana znajdująca się w roztworze oczyszczanym – adsorptywem,
a substancja po przejściu w stan zaadsorbowany – adsorbatem.
Do sorpcji zanieczyszczeń z wód najczęściej stosuje się węgle aktywne
w postaci ziarnistej lub granulowanej oraz pylistej. Pyliste węgle aktywne są
stosowane w układzie porcjowym, pozostałe zaś w warunkach przepływowych,
tj. stanowią jedną z warstw złóż filtracyjnych lub samodzielne złoża sorpcyjne
w wydzielonych kolumnach sorpcyjnych.
O skuteczności i przydatności węgli aktywnych w oczyszczaniu wody
decydują ich następujące cechy: pojemność adsorpcyjna, wielkość powierzchni
właściwej, wielkość porów i ich rozkład, chemiczna natura powierzchni i
uziarnienie, a w przypadku węgli granulowanych – dodatkowo ich
wytrzymałość na ścieranie i kruszenie. Cechy węgli aktywnych zależą od
rodzaju surowca, z którego są wytwarzane, oraz warunków aktywacji.
Surowcami mogą być: węgiel drzewny, antracyt, węgle brunatne oraz kamienne,
trociny, łupiny orzechów, pestki, kości.
Proces adsorpcji przebiega tak długo, aż wytworzy się równowaga
adsorbent-roztwór. Stężenie w stanie równowagi z adsorbentem nazywa się
stężeniem równowagowym C. Ilość zaadsorbowanej substancji przez jednostkę
masy lub objętości adsorbenta w stanie równowagi zależy od stężenia
adsorptywu, temperatury oraz wzajemnego powinowactwa adsorbent-adsorbat.
Powszechnie stosowaną formą opisu adsorpcji jest przedstawienie
zależności ilości substancji zaadsorbowanej przez jednostkę masy lub objętości
adsorbenta w funkcji stężenia równowagowego w stałej temperaturze, są to
izotermy adsorpcji. Najbardziej popularne izotermy to izotermy Freundlicha
i Langmuire’a.
Równanie Freundlicha wyraża się wzorem:
x
m
KC 1 / n
gdzie: x – ilość substancji zaadsorbowanej, mg (C0 – C),
m-masa adsorbenta [g],
C0 – stężenie początkowe [mg/dm3],
C – stężenie równowagowe [mg/dm3],
K, n – stałe izotermy.
Rys.1. Izoterma Freundlicha w formie wykładniczej
Rys.2. Izoterma Freundlicha w formie liniowej
Równanie Freundlicha po zlogarytmowaniu przyjmuje postać:
lg
x
m
1
log C
n
log K
Równanie Langmuire’a wyraża się wzorem:
x
m
xmbC
1 bC
gdzie: x – ilość substancji zaadsorbowanej, mg (C0 – C),
m-masa adsorbenta [g],
C0 – stężenie początkowe [mg/dm3],
C – stężenie równowagowe [mg/dm3],
xm, b – stałe izotermy.
Równanie po przekształceniu przyjmuje postać liniową:
x
m
1
xm
1
bxmC
Rys. 3. Izoterma Langmuire’a
Wykonanie ćwiczenia
1. Do 6 butelek o pojemności 500 cm3 wlać po 200 cm3 roztworu
adsorptywu.
2. W roztworze wyjściowym należy oznaczyć stężenie początkowe kwasu
octowego C0 (wg punktu 6).
3. Przygotować 6 naważek węgla aktywnego w ilościach 0,2; 0,4; 0,8; 1,2,
1,6 i 2,0 g i dodać je do butelek z adsorbatem.
4. Butelki zakorkować, umieścić w wytrząsarce i wytrząsać próby przez 30
minut (dbać o to, aby czas wytrząsania każdej butelki był taki sam), a
następnie pozostawić również na 30 minut w celu ustalenia się stanu
równowagi adsorpcyjnej.
5. Po ustaleniu się stanu równowagi próby przesączyć i w poszczególnych
przesączach oznaczyć stężenie równowagowe Ck kwasu octowego (wg
punktu 6).
6. W celu wyznaczenia stężenia kwasu octowego należy odmierzyć 5 cm3
badanej próbki do kolbki Erlenmajera, dodać: 45 cm3 wody destylowanej
i 3 krople fenoloftaleiny, miareczkować 0,1 M NaOH do zmiany barwy
na różową.
Stężenie kwasu obliczyć ze wzoru:
CCH3COOH = [(CNaOH VNaOH)/VCH3COOH] 60 000 [mg/dm3]
Opracowanie wyników
1. Wyniki miareczkowania
Tab.1.
VNaOH [cm3]
Nr próbki
CCH3COOH [mg/dm3]
0
1
2
3
4
5
6
Wyniki obliczeń zestawić w tabeli 2.
Tab.2.
m
C0
dawka
stężenie początk.
węgla
CH3COOH
[g/dm3]
[mg/dm3]
C
stężenie
równowag.
CH3COOH
X=
X/m
lg
m/X
lg
C0-C
[mg/g]
(X/m)
[g/mg]
C
1/C
[mg/dm3]
1
2
4
6
8
10
2. Sporządzić izotermy Freundlicha oraz Langmuire’a (analogicznie ja na
rysunku 2 i 3).
3. Wyliczyć stałe izoterm K, n – w przypadku izotermy Freundlicha i B, xm
– w przypadku izotermy Langmuire’a oraz napisać odpowiednie
równania.
4. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzić, która izoterma dokładniej
opisuje adsorpcję kwasu octowego na węglu aktywnym.